[发明专利]一种刚柔双模操作机械臂

说明书

本发明涉及空间机器人研究和工程领域，具体是一种采用六自由度单臂构型的刚柔双模操作机械臂，包括连杆部件、关节部件和四自由度柔性机构。所述的连杆部件主要由腰部连杆、肩部连杆、大臂、肘部连杆、小臂以及两条腕部连杆组成。关节部件由六个旋转关节组成，其中包括腰部关节、肩部关节、肘部关节和三个腕部关节，其中腕部末端关节用于连接末端执行器，其余关节用于机械臂各连杆之间的相互连接和相对运动。所述的四自由度柔性机构主要基于十字轴结构，设计了基于直线式磁流变阻尼器、旋转式磁流变阻尼器、扭转弹簧机构、直线弹簧机构的阻尼缓冲装置，在机械臂中引入了柔性特征，可以实现空间六维动量卸载；另外，设计了刚柔转换装置，可以根据操作任务实现机械臂的刚柔双模操作。

技术领域

本发明涉及空间机器人研究和工程领域，具体是一种刚柔双模操作机械臂。

背景技术

机械臂在航天器的在轨组装、在轨维修、在轨燃料加注、在轨升级等在轨服务中起到了关键作用，同时也避免了航天员舱外操作的高风险，提高了空间操作的安全性和效益。另外，当机械臂应用于在轨捕获任务时，机械臂与目标航天器会发生接触碰撞，对于传统的硬捕获方式，二者组成的复合体系统的质量特性参数和角动量分布会发生突变，目标航天器的角动量将直接传递至基座处，若传递至基座处的角动量超过其内部动量交换装置的调节上限，可能会引起复合体系统失稳，并可能在在抓捕过程中引起航天器不必要的损伤变形。以上在轨任务表明，机械臂应具备刚性操作和柔性操作的双重能力，而当前的机械臂通常只具备刚性操作模式。为拓展传统刚性机械臂的在轨操作能力，本发明通过在刚性机械臂的连杆处设计一种具有缓冲能力的四自由度柔性机构，从而使机械臂能对空间目标开展柔性捕获操作任务，突破了机械臂单一的刚性操作模式，使其具备了刚柔双重工作模式。

发明内容

本发明针对现有机械臂接触操作过程中的能量冲击，以及两航天器在各种复杂空间条件下能量阶跃式传递的难题，在刚性机械臂的连杆处设计一种具有缓冲能力的四自由度柔性机构，使机械臂具有柔性操作能力，能实现空间六维动量卸载，从而达到捕获过程中的平稳软接触，降低当前空间操作硬接触带来的各种风险，拓展机械臂操作的应用性和可靠性。在本发明的四自由度柔性机构中设计了刚柔转换装置，当机械臂不执行捕获任务或捕获前和捕获后的运动规划过程中，刚柔转换装置产生锁紧动作，使机构失去柔性，从而使整个机械臂呈现刚性工作状态；当机械臂执行捕获任务瞬间，刚柔转换装置产生松弛动作，使机构获得柔性，从而使整个机械臂呈现柔性工作状态。因此，本发明中的机械臂突破了单一的刚性操作模式，可根据实际操作任务完成刚柔双模转换。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种刚柔双模操作机械臂，主要包括连杆部件、关节部件和四自由度柔性机构。

所述的连杆部件主要包括：腰部连杆(106)、肩部连杆(104)、大臂(102)、小臂(113)、腕部连杆一(111)、腕部连杆二(109)、肘部连杆(114)。所述的关节部件主要由腰部关节(105)、肩部关节(103)、肘部关节(101)、腕部关节一(112)、腕部关节二(110)、腕部关节三(108)共6个旋转关节组成。所述的四自由度柔性机构(216)主要包括：固定板(215)、直线式磁流变阻尼器(202)、直线弹簧机构(213)、电磁制动滑块(203)、滑轨(204)、直线位移传感器(214)、十字轴(212)、扭转弹簧机构(206)、编码器(205)、旋转式磁流变阻尼器(211)、离合器(207)、旋转外壳(210)、旋转内壳(209)。